La tecnologia per comprendere l’interfaccia mente-corpo si basa sulla ricerca per i viaggi spaziali.
La NASA pone domande difficili: com’è la situazione sul Luna? C’è stata vita? Marte? Come si sono formate le prime stelle? Trovare queste grandi risposte spesso significa prima risolvere una serie di domande più piccole ma ugualmente fastidiose.
I sensori Trigno Mini vengono applicati ai muscoli dell’avambraccio e della mano del pianista professionista Rui Urayama per comprendere le strategie di controllo motorio fine. Credito: Delsys Inc.
Ad esempio, in che modo l’assenza di gravità prolungata cambia il modo in cui il cervello controlla i muscoli? Come fa il cervello controlla i muscoli? Prima di inviare gli esseri umani nel lungo viaggio su Marte, la NASA vuole capire meglio gli effetti che il viaggio avrà sugli astronauti.
Ora un’azienda che ha aiutato l’agenzia spaziale a cercare di risolvere queste domande sta aiutando altri a trovare risposte entusiasmanti come qualsiasi scoperta della NASA.
I ricercatori che utilizzano sistemi creati da Delsys Inc. di Natick, Massachusetts, stanno ora lavorando per aiutare le persone paralizzate a camminare di nuovo, per consentire agli amputati di controllare gli arti protesici come qualsiasi parte normale del corpo e per consentire ai pazienti sottoposti a laringectomia di parlare. Tali progetti, tuttavia, sono concepibili solo grazie a decenni di ricerca e sviluppo, avviati da diverse prime partnership con la NASA.
Il sensore Delsys Trigno Maize è in grado di rilevare il segnale elettromiografico (EMG) del corpo ad alta densità per consentire all’operatore di comprendere la muscolatura e il controllo muscolare in alta definizione. Credito: Delsys Inc.
Delsys è stata fondata nel 1993 da Carlo De Luca, direttore fondatore del Neuromuscular Research Center (NMRC) dell’Università di Boston, per iniziare a commercializzare la tecnologia che il centro stava sviluppando.
Al centro della missione dell’NMRC per migliorare la comprensione del controllo motorio c’era la tecnologia elettromiografica avanzata (EMG), che rileva e analizza i segnali elettrici del corpo emessi quando i nervi motori che trasportano segnali dal cervello e dal midollo spinale stimolano i muscoli.
De Luca e il suo team erano già stati pionieri della tecnologia EMG in fase iniziale prima di aprire l’NMRC nel 1984, e il lavoro del nuovo centro attirò rapidamente l’interesse della NASA.
I sensori Delsys Trigno Quatro progettati per i muscoli facciali sono in grado di convertire i segnali EMG dal parlato orale al testo. Credito: Delsys Inc.
Alla fine degli anni ’80 e ’90 il Johnson Space Center dell’agenzia a Houston ha contribuito a finanziare studi in cui l’NMRC e poi Delsys hanno testato l’affaticamento muscolare derivante dall’uso di diversi modelli di guanti per tute spaziali, nonché l’equilibrio corporeo degli astronauti e l’adattabilità neuromuscolare prima e dopo lo spazio. voli navetta.
Nel 2000, due contratti Small Business Innovation Research (SBIR) di Johnson hanno aiutato Delsys a completare il suo primo sistema EMG commerciale, chiamato MyoMonitor.
I ricercatori stanno utilizzando interfacce neurali con sensori Delsys Trigno Mini per lavorare per consentire ai pazienti di controllare protesi all’avanguardia come i-Limb Quantum di Össur, mostrata qui. Credito Delsys Inc.
Monitoraggio dei muscoli
I test sugli astronauti hanno fornito al team una preziosa opportunità per studiare l’adattamento neuromuscolare all’assenza di gravità, ha affermato Serge Roy, che ha lavorato con De Luca dalla fine degli anni ’70 ed è ora direttore della ricerca presso Delsys e il suo braccio di ricerca, Altec Inc. , il team aveva cercato di simulare l’assenza di gravità nei ratti di laboratorio.
Ma il lavoro della NASA ha sollevato anche nuove domande, ha detto: “La quantità di debolezza che vedi dopo due settimane di volo spaziale non può essere completamente spiegata dal grado di atrofia del muscolo”.
Quindi i primi anni 2000 hanno portato un altro ciclo di sviluppo tecnologico e studi sullo Space Shuttle per esaminare il funzionamento dei nervi motori individuali degli astronauti.
“Ciò ha innescato una più ampia evoluzione della tecnologia, che da allora è stata un pilastro della nostra ricerca e della nostra linea di prodotti”, ha affermato Gianluca De Luca, cugino di secondo grado di Carlo, divenuto presidente di Delsys dopo la morte dell’anziano De Luca nel 2016.
Delsys e i suoi clienti stanno lavorando per fondere i segnali EMG e le informazioni sul movimento delle braccia e delle mani con esperienze di realtà virtuale o aumentata per applicazioni di telemedicina. Credito: Delsys Inc.
Per captare i singoli segnali dei nervi motori, il team ha dovuto inserire aghi con sensori elettronici nelle mani e nelle gambe degli astronauti. Ma Delsys voleva migliorare la sua tecnologia per consentire questo livello di precisione dai sensori fissati alla pelle e per rendere tali sensori wireless. Queste due sfide principali sono state superate con l’aiuto di altri due contratti SBIR di Johnson.
Gianluca De Luca ha paragonato la rilevazione dei singoli segnali nervosi dalla superficie della pelle alla mappatura delle gocce di pioggia che cadono su uno stagno durante un acquazzone, in base alle loro increspature.
“Se ti chiedessi di identificare le singole gocce di pioggia che hanno portato a quel disegno di increspature, non saresti in grado di farlo.”
Con il finanziamento SBIR, l’azienda ha progettato sensori e algoritmi in grado di individuare ciascuno di questi segnali, sebbene l’elaborazione dei dati di un singolo test richiedesse ancora giorni. Con l’avanzare della potenza di calcolo, tuttavia, Delsys ha creato un software che ora può analizzare quella manichetta di dati in tempo reale.
Rendere i sensori wireless non è stato meno arduo, poiché la sfida più grande è stata quella di sincronizzare perfettamente i segnali provenienti da più sensori posizionati sul corpo. Questo è essenziale per vedere come i muscoli lavorano insieme per coordinare movimenti complessi.
Poiché i protocolli wireless come il Bluetooth possono avere diversi millisecondi di ritardo, l’azienda ha sviluppato un proprio linguaggio wireless affinché i sensori trasmettano il momento esatto di ogni attivazione nervosa.
Medici e terapisti utilizzano i sensori Trigno Avanti per la riabilitazione fisica. Credito: Delsys Inc.
Camminare e parlare
La maggior parte dei clienti dei sistemi, dei sensori e del software Delsys sono ancora laboratori di ricerca presso università, aziende di dispositivi medici e altre istituzioni scientifiche, che sviluppano tecnologie all’avanguardia. Molti sono impegnati in progetti che un tempo sarebbero stati ritenuti impossibili.
De Luca ha detto che molti stanno lavorando sulla rigenerazione dei nervi danneggiati per invertire la paralisi, inclusa almeno un’azienda che ha ripristinato il movimento delle scimmie paralizzate in laboratorio. Sebbene i nervi motori a volte possano rigenerarsi con l’aiuto della stimolazione elettrica insieme a nuove terapie in fase di sviluppo, è difficile sapere quali percorsi stanno prendendo questi nervi.
È qui che i sistemi Delsys possono aiutare i ricercatori a monitorare i progressi rilevando la posizione e il grado di attività nervosa e muscolare.
Un altro progetto a cui l’azienda sta lavorando con le università e il National Institutes of Health è un tentativo di consentire agli amputati di controllare un arto protesico proprio come una parte naturale del corpo. Mentre altre protesi robotiche hanno comunicato con elettrodi impiantati chirurgicamente, questo nuovo approccio, meno costoso e non invasivo, interpreterebbe l’attivazione dei segnali EMG direttamente dai muscoli rimanenti di un arto senza i rischi dell’intervento chirurgico.
Delsys sta anche lavorando con diversi partner per sviluppare una tecnologia che consenta ai pazienti di parlare dopo la rimozione della laringe, o scatola vocale. L’idea è quella di utilizzare innanzitutto la tecnologia EMG per registrare i segnali muscolari e nervosi provenienti dal viso e dal collo durante il parlato. Quindi un programma potrebbe tradurre quei segnali motori in parole.
“Così abbiamo fatto questa analisi elaborata e abbiamo creato una protesi vocale che è in fase di sviluppo”, ha detto Roy. “Si tratta di un uso all’avanguardia della tecnologia EMG che ha alcune applicazioni pratiche piuttosto affascinanti.”
Anche le aziende che producono abbigliamento sportivo sono diventate clienti, ha detto De Luca. “Ad esempio, tutti i principali produttori di scarpe da corsa possiedono le nostre attrezzature, perché quando progettano una scarpa vogliono capire come il suo design influisce sul corpo umano e sui suoi movimenti”.
Poiché l’azienda ha reso alcuni dei suoi dispositivi più semplici e facili da usare, Delsys ha iniziato a trovare clienti anche al di fuori dei laboratori di ricerca. Questi includono singoli neurochirurghi, fisioterapisti, preparatori atletici e altri interessati all’analisi del movimento o dei disturbi neuromuscolari.
Sebbene siano trascorsi più di 15 anni dall’ultima volta che Delsys ha collaborato con la NASA, De Luca ha affermato che l’azienda, ora un’operazione globale, continua a beneficiare del lungo rapporto del team con l’agenzia spaziale, che ha gettato le basi per i suoi prodotti di punta. “Molti dei nostri primi sviluppi sono stati originati da questioni di ricerca più ampie che hanno avuto inizio con gli studi focalizzati sulla NASA”.
Fonte: NASA
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
